“天问一号”成功着陆火星，三大疑问揭秘你想知道的那些事儿
编者按：本文来自微信公众号“高山大学”（ID:gasadaxue），作者：朱珍，编辑：李嘉、邓舒夏，36氪经授权发布。
北京时间2021年5月15日上午8时20分左右，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功着陆火星。
从1960年苏联首次尝试发射，到1965年美国“水手4号”第一次传回数据，再到如今仍漫步在火星表面的“好奇号”，截止目前，人类已经实施火星探测活动40多次，成功和部分成功的任务仅一半左右，能够着陆火星并成功开展探测任务的仅为个位数。
“天问一号”的成功着陆，是中国航天领域的里程碑事件。从此刻开始，我国火星探索迈出的第一步，稳稳当当地落在了红色星球的土地上。
为何绕转火星3个月才着陆？
“天问一号”于2020年7月发射升空，同期发射的美国“毅力号”早在今年2月18日便已成功着陆火星“耶泽洛”陨坑，但于2月10日率先到达火星轨道的“天问一号”，为何要围绕火星转3个多月，多次进行轨道调整，今天才最终着陆呢？
首先，到目前为止，美国登陆火星的探测器已有8个，早已获取了大量的火星数据，无需花时间环绕火星飞行，可以直接登陆。而中国是个“探火”新手，因此要提前对火星着陆区成像，并采集数据，为登陆做足准备。
另一方面，与“毅力号”任务不同，“天问一号”将一次性完成环绕、着陆、巡视三大目标任务。在航天史上，这是首例。还从来没有任何一个国家以这种“极限”的方式执行过行星探测任务。
“天问一号”发射到着陆全过程3D动画，视频源自科普中国
中国敢挑战这样的难度，得益于一系列嫦娥计划的成功实施，让中国航天不仅积累了大量技术，也增强了信心。
“天问一号”在登陆火星之前的绕转过程中，每一圈都经过南北两极，对火星各区域进行全方位探测，测量火星上土壤特性和水冰分布，绘制火星的形态学和地质学地图。同时它还收集了部分火星电离层、电磁场和引力场的数据。
“天问一号”绕火星运行轨迹，图自网络
除此之外，“天问一号”还需要对预设着陆点——乌托邦平原的陆区情况进行观察和研究，以找到最佳着陆窗口，避免遇上大的沙尘暴等恶劣天气，从而保证探测器的安全稳定着陆。
着陆过程是怎样的？
虽然我国之前的探月任务中，探测器已经多次成功软着陆月球表面甚至是带回了月壤，但相比月球，火星表面存在大气，并且大气压为地球的1%，环境更加复杂，着陆条件自然也更是严苛。
探测器火星着陆过程常常被NASA称为“黑色七分钟”甚至是“死亡七分钟”。因为火星与地球距离十分遥远，从地球到火星的通信往返时间为6到45分钟，信号存在延迟，这导致整个着陆过程只能靠探测器自己判断和执行，地球地面无法做任何控制。
“天问一号”探测器的整个着陆过程为9分钟左右。这意味着探测器在9分钟内将速度从约4.9 km/s降到0 km/s。
“天问一号”离轨着陆全过程，图自网络
而完成这个任务的第一步，就是借助火星的大气，然而空气摩擦产生的巨大热量冲击也是“天问一号”必须要面对的难题。“天问一号”解决这个问题依靠的是防热盾，能够在减速的同时，防止探测器被巨大热量冲击破坏。
“天问一号”探测器构造，图自网络
在速度降低90%之后，探测器展开随身携带的减速伞，进一步降低速度，直到速度降低到100 m/s以内，探测器抛弃了防热盾和降落伞，开启反推发动机，最终将速度降到了3.6 m/s后，进入悬停阶段，寻找合适的着陆点，从距离火星表面几米高的地方做自由落体下落。
最后软着陆瞬间，不同的探测器各显神通，方法各不相同。
美国的“机遇号”“勇气号”，是弹出一只气囊，让着陆器在上面蹦几十次，直到没有弹力。“毅力号”和“好奇号”采用的都是“空中吊车”的方式，即火星车被空中吊车悬吊着减速触地，着陆后绳索会立即被切断，空中吊车飞离。
“天问一号”着陆器，图自网络
“天问一号”的着陆器由于体重较大，采用的是“支腿式”，在降落过程中，会伸出一个有弹性的缓冲支架，保证着陆器平稳落地。最后，“天问一号”的火星车“祝融号”从着陆器上滑下，“横行”在火星的红色土地上。
“祝融号”火星车1：1模型，图自网络
此时，由于“祝融号”无法直接与地球指挥中心取得联系，“天问一号”的环绕器环绕器会降低轨道，进入一个近火点265公里、远火点12500公里，周期8个小时的轨道，为火星车提供通讯中继。
着陆之后干什么？
“天问一号”着陆在火星乌托邦平原南部。乌托邦平原位于火星北半球，相较于南半球坑洼不平的山地，北半球的平原是更为理想的降落区域，因为这里海拔更低，探测器会有更多时间用于减速。
乌托邦平原位置，图自网络
地质学家认为那里很可能是一个古海洋和古陆地的交界处，有很高的科学价值。
身高185cm，体重240kg的“祝融号”火星车在我们眼里是个大胖子，但六轮全驱的配置，让“祝融号”在火星上能够火力全开，“横行霸道”，即便一个轮胎受到损坏，火星车也能正常工作，十分灵活。
“祝融号”火星车采用我国自主研发的“正十一烷相变保温系统”，能够以太阳能为动力，同时为处在极寒环境中的火星车保温，整个火星车的预测寿命为90个火星日（火星的一天约为24小时40分钟，90个火星日约为92个地球日），但也有可能可以工作得更久。
在这短短一段时间内，“天问一号”的科学目标包括：
（1）绘制火星地质与形态的结构图；
（2）研究火星表层土壤特征和水冰分布结构；
（3）分析火星表层物质组成；
（4） 测量电离层以及火星表面的气候和环境特征；
（5）加强研究人员对火星的物理场（电磁场、引力场）和次表层及内部结构的认知。
简单来说就是，所到之处但凡能收集到的资料，一网打尽。
90个火星日结束后，“天问一号”环绕器还会再次降低轨道，进入一个近火点265公里、远火点12000公里的“科学探测轨道”，对火星表面进行至少一个火星年（约1.88个地球年）的近距离全球探测，同时也可以兼顾火星车的通讯中继。
2016年首个“4.24中国航天日”会上，中国火星探测任务正式立项。如今“天问一号”的一小步，是中国航天科学探索的一大步。期待“天问一号”瑰丽壮美的火星之旅带来更多激动人心的好消息。
参考文献
1. 高滨. 火星探测器着陆技术[J]. 航天返回与遥感, 2009.
2. CHEN, ZHAO, Cong. 中国首次火星探测任务"天问一号"探测器成功发射[J]. 中国航天:英文版, 2020(2):51-51.
3. 庞丹. 我国首次火星探测任务发射成功 迈出深空探测崭新一步[J]. 中国航天, 2020, No.508(08):12-15.
4. 李春来，刘建军，耿言. 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J]. 深空探测学报, 2018, 5(05):406-413.
5. 欧阳自远，肖福根. 火星探测的主要科学问题[J]. 航天器环境工程，2011，28（3）：205-217.
6. NASA’s Journey to Mars Pioneering next steps in space exploration[Z]. USA：NASA，2015.
7. Jia Y ,Zou Y ,Zhu Y , et al. Development Progress of China's First Mars Exploration Mission: Its Scientific Objectives and Payloads[J]. 空间科学学报, 2020(5).
8.张扬眉. 世界火星探测一览表[J]. 国际太空, 2020(8):49-50.
9.Zou, Y., Zhu, Y., Bai, Y., Wang, L., Jia, Y., Shen, W., ... & Peng, Y. (2021). Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission. Advances in Space Research, 67(2), 812-823.
10.我们的太空 | 【技术·航天】中国首次火星探测任务“天问一号”的长征路...
https://zhuanlan.zhihu.com/p/164443325
相关推荐
“天问一号”成功着陆火星，三大疑问揭秘你想知道的那些事儿
天问一号即将经历“恐怖七分钟”，着陆火星
为了到火星，天问一号究竟有多努力？
史无前例，中国“天问一号”将一次性完成三大任务
现场直击“天问一号”发射：火星上有什么？我们自己探险
最前线 | 中国正式向火星「发问」，“天问一号”火星探测器发射成功
院士剧透：中国“天问一号”将在火星完成6个科学目标
核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
【虎嗅早报】特斯拉向新车主提供“驾驶考试”；天问一号总设计师谈火星移民：不科学
天问一号飞行达1.37亿千米 三个火星探测器同向共飞
网址: “天问一号”成功着陆火星，三大疑问揭秘你想知道的那些事儿 http://m.xishuta.com/newsview43376.html
